Quelles sont les caractéristiques qui renforcent la robustesse des codeurs ? L'électronique à semi-conducteurs, peut-être ?

Les applications de codeurs sont omniprésentes, des combats de robots BattleBots aux explorations sur Mars, en passant par les imposants véhicules de construction et les équipements de fabrication de semi-conducteurs. Les codeurs sont également présents dans de nombreuses applications médicales et militaires.

Pour faire simple, partout où il y a du mouvement, il y a un codeur. Les codeurs n'ont peut-être pas le même charme que les produits dans lesquels ils sont utilisés, mais ils sont essentiels dans les systèmes de contrôle de mouvement complexes et sophistiqués d'aujourd'hui.

Les codeurs rotatifs sont des composants essentiels dans la boucle de rétroaction de contrôle de mouvement pour les applications industrielles, robotiques, aérospatiales, énergétiques et d'automatisation. Ils doivent fonctionner dans des conditions extrêmes, en étant exposés à la poussière, à la saleté et à la graisse, à des températures changeantes et à de fortes vibrations.

En outre, les codeurs rotatifs sont de plus en plus présents en raison de l'utilisation accrue des moteurs CC sans balais (BLDC), pour des avantages en termes de contrôle, de précision et de rendement. La mission du codeur est simple : indiquer la position de l'arbre du moteur au contrôleur système. Grâce à ces données, le contrôleur peut commuter avec précision les enroulements du moteur, et déterminer la vitesse, la direction et l'accélération, des paramètres nécessaires à la boucle de contrôle de mouvement pour maintenir les performances souhaitées du moteur. Dans les applications de codeurs rotatifs, il faut une fiabilité, une durabilité et des performances optimisées à long terme, ce qui signifie qu'il est de plus en plus important d'avoir un codeur rotatif intelligent dans la plupart des applications nécessitant un contrôle précis du mouvement.

L'émergence de nouvelles approches qui utilisent des fonctionnalités intelligentes donne lieu à de nouvelles capacités et opportunités qui modifient le paysage du modeste codeur.

Bien qu'essentiels, les codeurs rotatifs sont souvent considérés comme de simples dispositifs qui ne font qu'envoyer des signaux à impulsions à un contrôleur de niveau supérieur. Généralement réticents au changement, les utilisateurs de codeurs peuvent désormais faire davantage confiance aux technologies comme le codeur capacitif et ses principes entièrement testés, et s'appuyer sur ses années couronnées de succès sur le terrain.

L'ajout d'un microcontrôleur et de circuits ASIC personnalisés dans la conception a apporté un degré de polyvalence considérable, ce qui permet de configurer rapidement la résolution, la position zéro et le nombre de pôles du codeur. Cette approche numérique de la détection de mouvement offre des avantages et un nouveau niveau d'intelligence pour les concepteurs qui utilisent des codeurs de commutation rotatifs.

Technologies de codeurs : trois types, leurs points forts et leurs points faibles

Les trois approches de codeurs les plus connues sont les suivantes : optique, magnétique et capacitive.

Les configurations optiques utilisent un disque à encoches avec une LED d'un côté et des phototransistors de l'autre. Le disque tourne et interrompt le trajet lumineux. Les impulsions qui en résultent indiquent la direction et la rotation de l'arbre (Figure 1). Les codeurs optiques sont peu coûteux, mais leur fiabilité se dégrade en présence de contaminants comme la saleté, la poussière et l'huile, et les LED ont une durée de vie limitée.

Figure 1 : Configuration traditionnelle d'un codeur optique. (Source de l'image : CUI Devices)

Un codeur magnétique ressemble fortement à un codeur optique, mais utilise un champ magnétique plutôt qu'un faisceau lumineux. Au lieu de la roue optique à encoches, il fonctionne avec un disque magnétisé qui tourne au-dessus d'une matrice de capteurs magnétorésistifs. La rotation de la roue entraîne une réponse au niveau des capteurs, qui va jusqu'à un circuit d'entrée de mise en forme des signaux pour déterminer la position de l'arbre. Malgré leur grande durabilité, les codeurs magnétiques ne sont pas aussi précis et ils sont sensibles aux interférences magnétiques provenant des moteurs et des entraînements électriques.

Les codeurs capacitifs offrent tous les avantages des codeurs optiques et magnétiques, sans leurs points faibles. Ils sont beaucoup plus robustes et beaucoup moins sensibles aux interférences magnétiques et aux matières particulaires environnementales. Un codeur capacitif présente deux schémas linéaires, dont l'un se trouve sur un élément fixe et l'autre sur un élément mobile. Ensemble, ils forment un condensateur variable configuré comme un émetteur-récepteur (Figure 2). Le codeur tourne pour déclencher un ASIC intégral afin de compter les changements linéaires, puis interpole ces données pour suivre la direction de l'arbre grâce à des sorties en quadrature standard (ainsi que des sorties de commutation produites par certains codeurs pour contrôler des moteurs BLDC).

Figure 2 : Détection capacitive avec rangées de barres en quadrature et formes d'ondes de sortie. (Source de l'image : CUI Devices)

Amélioration numérique de la rétroaction des codeurs

Les codeurs capacitifs offrent des performances robustes. De plus, contrairement aux codeurs optiques et magnétiques, leur sortie numérique fait entrer la conception dans le 21e siècle, ce qui est utile pour faciliter le développement, l'installation et même la maintenance des produits.

L'un des avantages est la capacité du codeur à ajuster la résolution (le nombre d'impulsions par tour) sans avoir à passer à un disque codeur à résolution supérieure ou inférieure. Cela permet de renforcer la flexibilité lors du développement, pendant la phase d'optimisation de la boucle de contrôle.

La technologie numérique permet également de définir la position zéro simplement, « en un seul geste », pour une installation et un alignement des signaux de commutation simples et rapides avec les enroulements de moteur BLDC. L'utilisateur verrouille ainsi l'arbre dans la position souhaitée en alimentant les phases adéquates du moteur, puis indique au codeur de considérer cette position comme étant la position zéro. Cette opération ne nécessite aucun outil spécial et s'effectue en quelques minutes. À l'inverse, la définition de la position zéro d'un codeur optique ou magnétique (pour aligner mécaniquement les signaux de commutation envoyés aux enroulements du moteur) est un processus complexe et frustrant qui peut prendre 20 minutes.

L'intelligence intégrée à la série AMT de CUI ainsi que l'interface graphique AMT Viewpoint qui l'accompagne fournissent également des diagnostics embarqués pour une analyse plus rapide des défaillances sur le terrain, la capacité d'exécuter des mesures préventives comme une séquence de tests « codeur opérationnel », et des délais de commercialisation améliorés.

Ces données de diagnostic aident le développeur lors de la conception en permettant de supprimer le codeur de la liste des éléments suspects lors du débogage.

Cette fonctionnalité de diagnostic est également très précieuse sur le terrain, car elle donne aux utilisateurs finaux des informations concernant l'état du codeur avant les pannes et permet de séparer le comportement du codeur de l'analyse du fonctionnement du moteur à des fins de maintenance (pour suivre par exemple des problèmes de désalignement ou d'usure des roulements). Le diagnostic intégré permet aux systèmes de vérifier que les codeurs fonctionnent bien avant d'engager les moteurs dans des applications de contrôle de mouvement critiques, afin d'éviter d'éventuels dommages.

Fonctions intelligentes et connectivité IoT pour tous les types de codeurs

Les avantages des codeurs série AMT, basés sur la technologie capacitive, offrent bien plus qu'une amélioration des performances et de la fiabilité. Ils fournissent des fonctionnalités intelligentes ainsi que tout un ensemble de caractéristiques de configuration et d'installation programmables. La technologie numérique permet d'exploiter pleinement la puissance d'une interface intelligente afin de profiter d'avantages qui ne sont pas disponibles avec les technologies de codeur traditionnelles.